WO2010100106A1 - Verfahren und vorrichtung zum induktions-härten von kurbelwellen - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum induktions-härten von kurbelwellen Download PDF

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WO2010100106A1
WO2010100106A1 PCT/EP2010/052533 EP2010052533W WO2010100106A1 WO 2010100106 A1 WO2010100106 A1 WO 2010100106A1 EP 2010052533 W EP2010052533 W EP 2010052533W WO 2010100106 A1 WO2010100106 A1 WO 2010100106A1
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crankshaft
inductor
hardening
steel
cast iron
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PCT/EP2010/052533
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Inventor
Jochen Schmidt
Andreas Zahn
Thomas Eberle
Reinhard Neu
Ralf Schneider
Thomas Schreckenhöfer
Original Assignee
Maschinenfabrik Alfing Kessler Gmbh
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D1/00—General methods or devices for heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering
    • C21D1/06—Surface hardening
    • C21D1/09—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation
    • C21D1/10—Surface hardening by direct application of electrical or wave energy; by particle radiation by electric induction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C21—METALLURGY OF IRON
    • C21D—MODIFYING THE PHYSICAL STRUCTURE OF FERROUS METALS; GENERAL DEVICES FOR HEAT TREATMENT OF FERROUS OR NON-FERROUS METALS OR ALLOYS; MAKING METAL MALLEABLE, e.g. BY DECARBURISATION OR TEMPERING
    • C21D9/00—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor
    • C21D9/30—Heat treatment, e.g. annealing, hardening, quenching or tempering, adapted for particular articles; Furnaces therefor for crankshafts; for camshafts
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/25—Process efficiency

Definitions

  • the invention relates to a method for hardening crankshafts, in particular crankshafts with narrow crank webs, according to the type defined in more detail in the preamble of claim 1. Furthermore, the invention relates to a device for hardening crankshafts, in particular crankshafts with narrow crank webs, according to the preamble of claim 16.
  • crankshafts for cars Due to the tendency for the smallest possible engines, which should nevertheless achieve ever higher torques and performance, there is a tendency for crankshafts for cars to filigraneren geometries, which is reflected in particular in the width of the located between the main and conrod bearings crank web since These represent a decisive factor for the overall length of the crankshaft.
  • crankshafts It is therefore an object of the present invention to provide a method and an apparatus for hardening crankshafts, by means of which it is possible, in particular, to harden crankshafts with filigree geometries with a sufficient fatigue strength and at low process costs.
  • crankshaft tempering steels precipitation hardening ferritic-pearlitic steels, precipitation hardening bainitic steels, ductile iron cast iron or bainitic cast iron with nodular graphite in question.
  • the desired hardening depth can be set very precisely, whereby an exact hardening depth can be maintained by a very low heat loss.
  • the voltage for a period of 4 to 12 s is induced in the crankshaft, so this represents a very good compromise from achieving a uniform heating of the crankshaft and a short production time Possibility to use such a shorter heating time is also due to the use of the frequency according to the invention, since in this way a very high amount of heat can be introduced into the crankshaft within a very short time.
  • a steel with the material numbers 1.1191, 1.7225, 1.7227, 1.7228, 1.6582 or 1.8519 is used as the tempering steel.
  • the steels mentioned can be formed very well by forging and, on the other hand, they are also very well suited for inductive hardening by means of the method according to the invention.
  • a steel with the material number 1.1303, 1.1302 or 1.1304 is used as precipitation-hardening ferritic-pearlitic steel. Even with these steels can achieve very good results, the precipitation hardened by the hot forming temperature.
  • a precipitation-hardening bainitic steel is used as the material for the crankshaft, for example, 25MnCrSiVB ⁇ can be used. Also this steel is precipitation hardened by the hot forming temperature.
  • cast iron with the material number EN-JS 1060, EN-JS 1070, EN-JS 1080 or EN-JS 1090 is used as ductile iron cast iron.
  • these different cast iron can be formed by forging and, on the other hand, they are also suitable for inductive hardening.
  • bainitic spheroidal graphite cast iron is used as bainitic spheroidal graphite cast iron.
  • a bainitic ductile iron also referred to as ADI (austempered ductile iron) casting
  • ADI austempered ductile iron
  • cast iron-carbon based material in which the carbon is predominantly in the form of spherical particles and which combines higher strength and toughness properties as compared to the above-mentioned spheroidal graphite cast iron by the heat treatment.
  • Particularly suitable for inductive hardening are steels which, prior to inductive hardening, have an austenite grain size of 5 or finer when tested according to EN ISO 643. With such a fine-grained structure of the steel, the carbon contained therein is distributed more uniformly, so that the material can be austenitized faster than with a coarse-grained structure.
  • the inductor is operated at a power of 50 to 95 kW.
  • the hardening depth substantially corresponds to the penetration depth of the heating.
  • a device for hardening crankshafts, in particular crankshafts with narrow crank webs, is specified in claim 16.
  • the inductor has a rounded tip on its side facing the crankshaft.
  • a sol- This configuration makes it possible to achieve a particularly uniform hardening depth in the region of the radius passing from the running surface into the run-up collar.
  • a particularly uniform hardening depth in the region of the radius of the crankshaft passing from the running surface of the main bearing or the connecting rod bearing into the thrust collar of the crankshaft results if, in a further advantageous embodiment of the invention, the ratio between a radius of the crankshaft and the radius of the tip of the inductor 0.6-1.
  • the sections of the inductor emanating from the rounded tip make an angle of 30 °. Form 60 ° with each other.
  • the inductor has a baffle of a magneto-dielectric material.
  • the magneto-dielectric material of the Beblechung as a base material comprises a thermoplastic material
  • the baffle is provided with ferromagnetic as well as dielectric properties, whereby the properties, of the magneto-dielectric material can be influenced in a targeted manner by the proportion, shape and distribution of the soft iron particles in the thermoplastic material. NEN.
  • crankshaft 1 shows a portion of a curable by the process according to the invention crankshaft.
  • Fig. 3 is a section through the inductor and the same heated crankshaft.
  • crankshaft 1 In Fig. 1, a portion of a crankshaft 1 is shown, which is sufficient for explaining the method for curing the same.
  • the crankshaft 1 has, in a manner known per se, a plurality of main bearings 2, of which only one is shown in FIG.
  • the crankshaft 1 At the main bearings 2, the crankshaft 1 is mounted in a conventional manner within a crankcase, not shown, of an internal combustion engine.
  • Adjacent to the main bearing 2, the crankshaft 1 Adjacent to the main bearing 2, the crankshaft 1 a connecting rod bearing 3, on to which a likewise not shown connecting rod of the internal combustion engine is attached.
  • the crankshaft 1 depending on the number of cylinders of the internal combustion engine, a corresponding number of connecting rod bearings 3, of which only one is shown for the sake of simplicity.
  • crank webs 4 Between the main bearings 2 and the Pleuellagern 3 are respective crank webs 4, of which also only one is shown.
  • crankshaft 1 described herein has a very filigree geometry with relatively narrow crank webs 4, wherein the term “narrow” in the present case, crank webs 4 are meant with a width of less than 10 mm, in particular less than 8 mm. For extremely short crankshafts 1 could even be less than 6 mm widths.
  • To the width of the crank arm 4 also includes any existing, not shown in this case run-in. Due to the small width of the crank arm 4, the distance of the main bearing 2 of the connecting rod bearing 3 is very low.
  • Both the main bearings 2 and the connecting rod bearings 3 are inductively hardened by means of a method described in detail below in order to increase their surface hardness and fatigue strength.
  • a voltage in the crankshaft 1 is induced by means of an inductor 5 through which an alternating current is shown in FIGS. 2 and 3, whereby the crankshaft 1 is heated to a certain depth.
  • an electromagnetic field which follows the rhythm of the alternating current, builds up around the inductor through which the alternating current flows. If a further conductor, in this case the crankshaft 1, is brought into the vicinity of the inductor 5, then the voltage is induced therein, which in turn results in an alternating current flowing through the crankshaft 1 - S-
  • This alternating field causes a self-induction, with the resulting, referred to as eddy currents currents superimposed on the secondary flow in the crankshaft 1 and cause a higher resistance inside the crankshaft 1, resulting in a current displacement to the surface of the crankshaft 1.
  • the induced current only detects a relatively thin edge layer of the crankshaft 1, which in this way is heated in dependence on the material used for the crankshaft 1.
  • the inventors have surprisingly found that contrary to the commonly used frequencies described for the input crankshaft 1 with the narrow crank webs 4, a frequency of the inductor 5 flowing through the AC of 11-49 kHz to good results in terms of penetration depth of the heat in the crankshaft 1 and The heating depth leads. Especially this frequency range ensures for a sufficient depth of hardness, which ensures even in a subsequent blending or other machining process for machining the main bearing 2 or the connecting rod 3, that they are still sufficiently hard to damage the same during use of the crankshaft 1 to avoid. In the present case, a hardness depth of 0.5 - 3.0 mm, preferably 1.2 - 2.0 mm, provided.
  • the depth of the heating or the heating depth of the crankshaft 1 can be kept so low, that during the heating of the main bearing 2 and the connecting rod bearing 3, the adjacent connecting rod bearing 3 or main bearing 2 is not adversely affected.
  • starting effects are prevented, which can occur if, for example, after the hardening of the main bearing 2, the adjacent connecting rod bearing 3 is hardened and this leads to a heating of the already previously hardened main bearing 2.
  • an undesired hardening of the in this area, as mentioned above, very narrow crank arm 4 is prevented.
  • the speed of the outflow of heat introduced by the inductor 5 into the crankshaft 1 to the cold core, ie the center of the crankshaft 1, depends essentially on the surface temperature, which is why the depth of cure is not identical to the penetration depth of the alternating current.
  • the depth of hardening depends essentially on the heating dusts and the surface temperature.
  • the heating time ie the time in which the voltage in the crankshaft 1 is induced, for the avoidance of the above-described adverse effects and achieving a desired, very much exact hardening depth responsible.
  • a suitable timing device for the inductor 5 can be used.
  • the surface temperature can be influenced inter alia by the choice of the power of the inductor 5, wherein a specific power of 1 - 2 kW / cm 2 is considered to be preferred for achieving a heat build-up on the surface of the crankshaft 1.
  • the power at which the inductor 5 is operated was in the range of 50-95 kW. Since, in the case of the crankshaft 1, the connecting rod bearings 3 are made smaller in terms of their geometry data than the main bearings 2, the higher powers of the inductor 5 are essentially necessary for heating the main bearings 2.
  • the quenching time is selected so that the martensite end temperature (MF) of the material of the crankshaft 1 is exceeded.
  • MF martensite end temperature
  • a polymer was used in the present process.
  • a tempered steel As the material for the crankshaft 1, a tempered steel, a precipitation-hardening ferritic-pearlitic steel, a precipitation-hardening bainitic steel, ductile iron or bainitic ductile iron may be used.
  • tempering steels all steel grades which can be treated by means of the method of tempering are regarded as tempering steels.
  • tempering in the sense of the present patent application, curing and tempering at elevated temperature to achieve the desired combination of mechanical properties, in particular high toughness and ductility, are considered.
  • the steels with the following material numbers have proved to be well-suited: material number 1.1191 (earlier designation: Ck45), 1.7225 (42CrMo4), 1.7227 (42CrMoS4), 1.7228 (50CrMo4), 1.6582 (34CrNiMo6) or 1.8519 (31CrMoV9).
  • Heat-treated steels can be unalloyed tempered and unalloyed steels for flame and induction hardening, as well as alloyed tempered steels and alloyed steels for flame and induction hardening.
  • the steels mentioned above are all alloyed tempering steels, with the exception of the steel number 1.1191, which is a non-alloy steel.
  • the steel with the material number 1.8519 (31CrMoV9) is a steel that is included in the standard for nitriding steels, however, this steel can be tempered by the method of tempering described above, which is why he differs from the standard in this patent application is designated as tempering steel. In principle, therefore, steels which can be tempered can also be used for the method according to the invention, even if they are not explicitly designated as tempering steels in a relevant standard.
  • a precipitation-hardening ferritic-pearlitic steel is used as the material for the crankshaft 1, the steels having the following material numbers have been found to be particular well-suited: 1.1303 (38MnVS6), 1.302 (30MnVS ⁇ ) or 1.1304 (46MnVS6).
  • 1.1303 38MnVS6
  • 1.302 (30MnVS ⁇ )
  • 1.1304 46MnVS6
  • AFP steels precipitation hardening ferrite-pearlitic steels.
  • the steel 25MnCrSiVB 6 is particularly suitable. Also this steel is precipitation hardened by the hot forming temperature.
  • the cooling of the precipitation-hardening ferrite-pearlitic or bainitic steel is preferably controlled.
  • the hardenability-influencing alloying elements in particular carbon, should be distributed as evenly as possible.
  • a steel also provides good conditions for hardenability of the same when dissolved and converted by the austenitizing process, the pearlite and ferrite, the alloy carbides largely dissolved and all concentration differences, especially carbon and alloying elements, are balanced.
  • a cast iron with nodular graphite or a bainitic cast iron with nodular graphite a so-called ADI casting
  • cast iron with the following material numbers are particularly well suited: EN-JS 1060 (material designation EN-GJS-600-3), EN-JS 1070 (EN-GJS-700-2), EN-JS 1080 ( EN-GJS-800-2) or EN-JS 1090 (EN-GJS-900-2).
  • Cast iron with the material number EN-JS 1100 (material designation ENGJS-800-8) or EN-JS 1110 (material designation EN-GJS-1000-5) has proven to be suitable as bainitic cast iron with nodular graphite.
  • the inductor 5 is shown in perspective. This has on its underside a flange 6 for attaching the same to a holding device, not shown in its entirety also not shown, but generally known device for hardening the crankshaft 1 on.
  • the inductor 5 On the side opposite the flange 6, the inductor 5 has an inductor section 7, which has a shape adapted to the geometry of the crankshaft 1.
  • the inductor portion 7 is connected to the flange 6 via a pipe assembly 8, which may be of known type and will therefore not be discussed in more detail.
  • the position of the crankshaft 1 relative to the inductor 5 is indicated very schematically in FIG. 2 by means of a dashed line.
  • FIG. 3 shows a section through the inductor 5 or the inductor section 7 thereof in its position in which it induces a voltage in the crankshaft 1.
  • the crankshaft 1 From the crankshaft 1, one of the main bearings 2 is shown for this purpose.
  • the hatched area indicates the area of the crankshaft 1 hardened by the hardening process described herein.
  • the inductor section 7 is designed in the form of a tube 9, which has a rounded tip 10 on its side facing the crankshaft 1.
  • the radius 10a of the rounded tip 10 may be in a range of 1 - 1.6 mm, for example. However, this applies only to the specific embodiment of the crankshaft 1, in which a crank arm 4 connecting the main bearing 2 radius 11 is approximately 1.4 - 1.8 mm.
  • a ratio of 0.6 - 1, in particular 0.9 - 1, between the radius 11 of the crankshaft 1 and the radius 10a of the tip 10 than in terms of a particularly uniform hardening depth in the area of the running surface of the main bearing. 2 or the connecting rod bearing 3 in the run-up collar of the crank arm 4 merging radius 11 proved. This means that in the case of a larger or smaller radius 11 of the crankshaft 1 and the radius 10a of the tip 10 is selected to be larger or smaller.
  • this embodiment of the inductor 5 makes it possible to provide, outside the tube 9, a sufficiently large baffle 14 which is capable of reducing the heating times by a concentration of the magnetic flux density.
  • the beech 14 also prevents the formation of stray fields and the Power of the inductor 5 significantly increased, so that a very precise hardness zone can be generated.
  • the baffle 14 consists of a magneto-dielectric material, which has as a base material a thermoplastic material in which soft iron particles are integrated.
  • a magneto-dielectric material which has as a base material a thermoplastic material in which soft iron particles are integrated.
  • the illustrated cross-sectional shape of the tube 9 is also an oval, rectangular or other suitable cross-sectional shape in question.
  • the above-described inductor 5 is an important part of the method according to the invention for hardening the crankshaft 1, since in addition to the above-described suitable selection of the frequency and the material of the crankshaft 1, it contributes to a crankshaft 1 with narrow crank webs 4 with a sufficient fatigue strength and to produce low process costs.

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Abstract

Bei einem Verfahren zum Härten von Kurbelwellen, insbesondere von Kurbelwellen mit schmalen Kurbelwangen, wird mittels eines von einem Wechselstrom durchflossenen Induktors eine Spannung in der Kurbelwelle induziert, wodurch die Kurbelwelle bis zu einer gewissen Tiefe erwärmt wird. Die Kurbelwelle wird nach der Erwärmung abgekühlt. Der Induktor wird von einem Wechselstrom, der eine Frequenz von 11-49 kHz aufweist, durchflossen. Als Material für die Kurbelwelle wird ein Vergütungsstahl, ein ausscheidungshärtender ferritisch-perlitischer Stahl, ein ausscheidungshärtender bainitischer Stahl, Gusseisen mit Kugelgraphit oder bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit verwendet.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUM INDUKTIONS-HÄRTEN VON KURBELWELLEN
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Härten von Kurbelwellen, insbesondere von Kurbelwellen mit schmalen Kurbelwangen, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zum Härten von Kurbelwellen, insbesondere von Kurbelwellen mit schmalen Kurbelwangen, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 16.
Ein gattungsgemäßes Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung sind aus der DE 100 24 990 Al bekannt.
Aufgrund der Tendenz zu möglichst kleinen Motoren, die dennoch immer höhere Drehmomente und Leistungen erreichen sollen, ergibt sich bei Kurbelwellen für PKW eine Tendenz zu filigraneren Geometrien, was sich insbesondere in der Breite der sich zwischen den Haupt- und den Pleuellagern befindlichen Kurbelwangen widerspiegelt, da diese einen entscheidenden Faktor für die Gesamtlänge der Kurbelwelle darstellen.
Beim Induktionshärten von Kurbelwellen mit derart schmalen Kurbelwangen ergeben sich gemäß den aus dem heutigen Stand der Technik bekannten Verfahren Einschränkungen dahingehend, dass sich die Härtezonen benachbarter und nur durch die Kurbelwangen voneinander getrennten Lagerstellen aufgrund ihres geringen Abstands voneinander gegenseitig beeinflussen, wodurch es einerseits zu Anlasseffekten der jeweils anderen Lagerstelle und andererseits zum Durchhärten kommen kann, was beides die Dauerfestigkeit der Kurbelwelle negativ beeinflusst. Des weiteren kann sich bei solchen Kurbelwellengeometrien aufgrund von Wärmeverzug ein für die weitere Fertigung unzulässig hoher Rundlauffehler ergeben, weshalb dazu übergegangen wurde, Kurbelwellen mit solchen schmalen Kurbelwangen mittels Nitrieren zu härten. Dies führt jedoch zu sehr hohen Prozesszeiten und kann darüber hinaus nicht in den eigentlichen Herstellungspro- zess der Kurbelwelle integriert werden, was die DurchlaufZeiten weiter erhöht und teilweise auch zu zusätzlichen Transportkosten führt. Dadurch erhöhen sich die Herstellungskosten für die Kurbelwelle gegenüber dem Induktionshärten erheblich.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Härten von Kurbelwellen zu schaffen, durch welche es möglich ist, insbesondere Kurbelwellen mit filigranen Geometrien mit einer ausreichenden Dauerfestigkeit und mit niedrigen Prozesskosten zu härten.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die in Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.
Durch die erfindungsgemäße Frequenz des den Induktor durchfließenden Wechselstroms von 11 bis 49 kHz wird zum Einen eine verhältnismäßig geringe Eindringtiefe des Stroms in das Material der Kurbelwelle ermöglicht, was zu einer entsprechenden Erwärmung derselben nur bis zu einer bestimmten Tiefe führt. Dadurch wird eine relativ geringe Einhärtetiefe erreicht und es wird vorteilhafterweise verhindert, dass beim Härten einer Lagerstelle der Kurbelwelle die benachbarte bereits gehärtete Lagerstelle beeinflusst wird. Zum Anderen ist durch die erfindungsgemäße Wahl der Frequenz ein sehr schnelles Erwärmen des gewünschten Bereichs der Kurbelwelle möglich. Auf diese Weise können nachteilige Effekte verhindert und eine sehr hohe Dauerfestig- keit, insbesondere eine sehr hohe Biege- und Torsionswechselfestigkeit, verbunden mit einer hohen Rundlaufgenauigkeit der Kurbelwelle, erreicht werden.
Erfindungsgemäß kommen als Material für die Kurbelwelle Vergütungsstähle, ausscheidungshärtende ferritisch-perlitische Stähle, ausscheidungshärtende bainitische Stähle, Gusseisen mit Kugelgraphit oder bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit in Frage. Diese Materialien gewährleisten, zusammen mit der oben beschriebenen Frequenz, die hohe Qualität des erfindungsgemäßen Verfahrens und der damit hergestellten Bauteile.
Durch die geeignete Frequenz des den Induktor durchfließenden Wechselstroms kann die gewünschte Einhärtetiefe sehr genau eingestellt werden, wobei sich durch einen sehr geringen Wärmeverlust eine exakte Härtetiefe einhalten lässt.
Als besonders vorteilhaft hat sich herausgestellt, wenn ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 20 bis 35 kHz verwendet wird, da hierdurch die oben beschriebenen Vorteile dieses Frequenzbereichs besonders gut zum Tragen kommen.
Wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen ist, dass die Spannung für eine Dauer von 4 bis 12 s in der Kurbelwelle induziert wird, so stellt dies einen sehr guten Kompromiss aus dem Erreichen einer gleichmäßigen Erwärmung der Kurbelwelle und einer kurzen Fertigungszeit dar. Die Möglichkeit, eine derart geringere Erwärmungszeit einzusetzen, ist auch auf den Einsatz der erfindungsgemäßen Frequenz zurückzuführen, da auf diese Weise innerhalb sehr kurzer Zeit eine sehr hohe Wärmemenge in die Kurbelwelle eingebracht werden kann. Des weiteren kann vorgesehen sein, dass als Vergütungsstahl ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.1191, 1.7225, 1.7227, 1.7228, 1.6582 oder 1.8519 verwendet wird. Die genannten Stähle lassen sich einerseits sehr gut durch Schmieden umformen und sind andererseits auch für das induktive Härten mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens sehr gut geeignet.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass als ausscheidungs- härtender ferritisch-perlitischer Stahl ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.1303, 1.1302 oder 1.1304 verwendet wird. Auch mit diesen Stählen lassen sich sehr gute Ergebnisse erzielen, wobei dieselben von der Warmformgebungstemperatur ausscheidungsgehärtet werden.
Wenn als Material für die Kurbelwelle ein ausscheidungshärtender bainitscher Stahl eingesetzt wird, so kann beispielsweise 25MnCrSiVBβ verwendet werden. Auch dieser Stahl wird von der Warmformgebungstemperatur ausscheidungsgehärtet .
Alternativ kann außerdem vorgesehen sein, dass als Gusseisen mit Kugelgraphit Gusseisen mit der Werkstoffnummer EN-JS 1060, EN-JS 1070, EN-JS 1080 oder EN-JS 1090 verwendet wird. Diese unterschiedlichen Gusseisen lassen sich einerseits durch Schmieden umformen und andererseits sind sie auch für das induktive Härten geeignet .
Schließlich kann noch vorgesehen sein, dass als bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit Gusseisen mit der Werkstoffnummer EN- JS 1100 oder EN-JS 1100 verwendet wird. Bei einem derartigen bainitischen Gusseisen mit Kugelgraphit, der auch als ADI-Guss (ADI = austempered ductil iron) bezeichnet wird, handelt es sich um einen Gusswerkstoff auf der Basis Eisen-Kohlenstoff, in welchem der Kohlenstoff überwiegend in Form von kugligen Partikeln vorliegt und welcher im Vergleich zu den oben genannten Gusseisen mit Kugelgraphit durch die Wärmebehandlung höhere Festig- keits- und Zähigkeitseigenschaften kombiniert.
Für die induktive Härtung sind besonders solche Stähle gut geeignet, welche vor der induktiven Härtung bei Prüfung nach EN- ISO 643 eine Austenitkorngröße von 5 oder feiner aufweisen. Bei einem derart feinkörnigen Gefüge des Stahls ist der darin enthaltene Kohlenstoff gleichmäßiger verteilt, so dass der Werkstoff schneller austenitisiert werden kann als bei einem grobkörnigen Gefüge.
Je nach Größe der Lagerstellen der zu härtenden Kurbelwelle ist eine unterschiedliche Leistung beim Betrieb des Induktors erforderlich, wobei es sich im vorliegenden Fall als besonders vorteilhaft herausgestellt hat, wenn der Induktor bei einer Leistung von 50 bis 95 kW betrieben wird. Wenn die Kurbelwelle mit einer hohen spezifischen Leistung gehärtet wird, entspricht die Einhärtetiefe im Wesentlichen der Eindringtiefe der Erwärmung.
Eine Vorrichtung zum Härten von Kurbelwellen, insbesondere von Kurbelwellen mit schmalen Kurbelwangen, ist in Anspruch 16 angegeben.
Mittels eines derart an die Geometrie der Kurbelwelle angepass- ten und von einem eine Frequenz von 11 - 49 kHz aufweisenden Wechselstrom durchflossenen Induktors lässt sich ein besonders homogenes Härtebild, insbesondere eine gleichmäßige Einhärtetiefe in der Lauffläche, dem Radius und dem Anlaufbund erreichen.
Hierbei kann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Vorrichtung vorgesehen sein, dass der Induktor an seiner der Kurbelwelle zugewandten Seite eine abgerundete Spitze aufweist. Eine sol- che Ausgestaltung ermöglicht es, eine besonders gleichmäßige Einhärtetiefe im Bereich des von der Lauffläche in den Anlaufbund übergehenden Radius zu erreichen.
Eine besonders gleichmäßige Einhärtetiefe im Bereich des von der Lauffläche des Hauptlagers bzw. des Pleuellagers in den Anlaufbund der Kurbelwange übergehenden Radius der Kurbelwelle ergibt sich, wenn in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung das Verhältnis zwischen einem Radius der Kurbelwelle und dem Radius der Spitze des Induktors 0,6 - 1 beträgt.
Um die Kontur dieses Radius besonders gut nachbilden zu können und dabei dennoch ausreichend Raum für eine geeignete Beblechung des Induktors zu lassen, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass die von der abgerundeten Spitze ausgehenden Abschnitte des Induktors einen Winkel von 30 - 60° miteinander bilden.
Um eine einfache Anpassung der Beblechung an die Geometrie der Kurbelwelle und des Induktors zu erreichen und um den Energieverbrauch des Induktors zu senken, kann außerdem vorgesehen sein, dass der Induktor eine Beblechung aus einem magnetodielektrischen Material aufweist.
In einer weiteren sehr vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann außerdem vorgesehen sein, dass das magneto-dielektrische Material der Beblechung als Grundmaterial einen thermoplastischen Kunststoff aufweist, in dem Weicheisenpartikel eingebunden sind. Durch diese Ausgestaltung erhält die Beblechung sowohl ferromagnetische als auch dielektrische Eigenschaften, wobei durch den Anteil, die Form und die Verteilung der Weicheisenpartikel in dem thermoplastischen Kunststoff die Eigenschaften des magneto-dielektrischen Materials gezielt beeinflusst werden kön- nen. Dadurch kann eine Konzentration der magnetischen Flussdichte erreicht werden, was zu einer Reduzierung der Erwärmungszeiten des zu härtenden Bauteils führt, wodurch letztendlich die Erwärmungszonen homogener und gleichmäßiger abgebildet werden können. Des weiteren ist dadurch eine einfachere Anpassung der Beblechung an die Geometrie des Induktors und der Kurbelwelle möglich und es ergibt sich vorteilhafterweise ein geringerer Energieverbrauch .
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den restlichen Unteransprüchen. Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellt.
Es zeigt:
Fig. 1 einen Abschnitt einer mit dem erfindungsgemäßen Verfahren härtbaren Kurbelwelle;
Fig. 2 eine beispielhafte Ausführungsform des Induktors der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
Fig. 3 einen Schnitt durch den Induktor und die mit demselben erwärmte Kurbelwelle.
In Fig. 1 ist ein Abschnitt einer Kurbelwelle 1 dargestellt, der zur Erläuterung des Verfahrens zum Härten derselben ausreichend ist. Die Kurbelwelle 1 weist in an sich bekannter Weise mehrere Hauptlager 2 auf, von denen in Fig. 1 lediglich eines dargestellt ist. An den Hauptlagern 2 ist die Kurbelwelle 1 in an sich bekannter Weise innerhalb eines nicht dargestellten Kurbelgehäuses einer Brennkraftmaschine gelagert. Benachbart zu dem Hauptlager 2 weist die Kurbelwelle 1 ein Pleuellager 3 auf, an dem ein ebenfalls nicht dargestelltes Pleuel der Brennkraftmaschine angebracht ist. Selbstverständlich weist die Kurbelwelle 1 in Abhängigkeit der Anzahl der Zylinder der Brennkraftmaschine eine entsprechende Anzahl an Pleuellagern 3 auf, von denen der Einfachheit halber lediglich eines dargestellt ist. Zwischen den Hauptlagern 2 und den Pleuellagern 3 befinden sich jeweilige Kurbelwangen 4, von denen ebenfalls lediglich eine dargestellt ist.
Die hierin beschriebene Kurbelwelle 1 weist eine sehr filigrane Geometrie mit verhältnismäßig schmalen Kurbelwangen 4 auf, wobei mit dem Begriff "schmal" im vorliegenden Fall Kurbelwangen 4 mit einer Breite von weniger als 10 mm, insbesondere weniger als 8 mm, gemeint sind. Bei extrem kurz bauenden Kurbelwellen 1 könnte es sich sogar um Breiten von weniger als 6 mm handeln. Zur Breite der Kurbelwange 4 zählt auch ein eventuell vorhandener, im vorliegenden Fall nicht dargestellter Anlaufbund. Durch die geringe Breite der Kurbelwange 4 ist der Abstand des Hauptlagers 2 von dem Pleuellager 3 sehr gering.
Sowohl die Hauptlager 2 als auch die Pleuellager 3 werden mittels eines nachfolgend detailliert beschriebenen Verfahrens induktiv gehärtet, um deren Oberflächenhärte und Dauerfestigkeit zu erhöhen. Hierbei wird mittels eines in den Figuren 2 und 3 dargestellten, von einem Wechselstrom durchflossenen Induktors 5 eine Spannung in der Kurbelwelle 1 induziert, wodurch die Kurbelwelle 1 bis zu einer gewissen Tiefe erwärmt wird. Konkret baut sich dabei um den von dem Wechselstrom durchflossenen Induktor ein elektromagnetisches Feld auf, das dem Rhythmus des Wechselstroms folgt. Wenn in die Nähe des Induktors 5 ein weiterer Leiter, im vorliegenden Fall die Kurbelwelle 1, gebracht wird, so wird in diesem die Spannung induziert, welche wiederum einen die Kurbelwelle 1 durchströmenden Wechselstrom zur Folge - S-
hat . Dieses Wechselfeld verursacht eine Selbstinduktion, wobei die daraus resultierenden, als Wirbelströme bezeichneten Ströme sich mit dem Sekundärstrom in der Kurbelwelle 1 überlagern und im Inneren der Kurbelwelle 1 einen höheren Widerstandswert bewirken, was zu einer Stromverdrängung an die Oberfläche der Kurbelwelle 1 führt. Durch die Stromverdrängung, welche werkstoff- und frequenzabhängig ist und mit zunehmender Frequenz steigt, nimmt die Stromdichte innerhalb der Kurbelwelle 1 in Richtung der Oberfläche derselben zu. Dadurch erfasst der induzierte Strom nur eine relativ dünne Randschicht der Kurbelwelle 1, welche auf diese Weise in Abhängigkeit von dem für die Kurbelwelle 1 verwendeten Material erwärmt wird. Durch eine entsprechende Wahl der Frequenz des den Induktor 5 durchfließenden Wechselstroms kann, wie nachfolgend näher beschrieben, die Erwärmungs- tiefe der Kurbelwelle 1 beeinflusst werden.
Die Erfinder haben überraschenderweise festgestellt, dass entgegen der üblicherweise verwendeten Frequenzen eine für die Eingangs beschriebene Kurbelwelle 1 mit den schmalen Kurbelwangen 4 eine Frequenz des den Induktor 5 durchfließenden Wechselstroms von 11 - 49 kHz zu guten Ergebnissen hinsichtlich der Eindringtiefe der Wärme in die Kurbelwelle 1 bzw. die Erwärmungstiefe führt. Gerade dieser Frequenzbereich stellt nämlich zum Einen eine ausreichende Härtetiefe sicher, die auch bei einem späteren Überschleifen oder einem anderen spanabhebenden Verfahren zur Bearbeitung der Hauptlager 2 oder der Pleuellager 3 gewährleistet, dass dieselben noch ausreichend hart sind, um während des Einsatzes der Kurbelwelle 1 Beschädigungen derselben zu vermeiden. Im vorliegenden Fall ist eine Härtetiefe von 0,5 - 3,0 mm, vorzugsweise 1,2 - 2,0 mm, vorgesehen. Zum Anderen kann durch die oben beschriebene Wahl der Frequenz des den Induktor 5 durchfließenden Wechselstroms die Tiefe der Erwärmung bzw. die Erwärmungstiefe der Kurbelwelle 1 so gering gehalten werden, dass bei der Erwärmung des Hauptlagers 2 bzw. des Pleuellagers 3 das benachbarte Pleuellager 3 bzw. Hauptlager 2 nicht negativ beeinflusst wird. Insbesondere werden Anlasseffekte verhindert, die entstehen können, wenn beispielsweise nach dem Härten des Hauptlagers 2 das benachbarte Pleuellager 3 gehärtet wird und es dadurch zu einer Erwärmung des bereits zuvor gehärteten Hauptlagers 2 kommt. Des weiteren wird auch ein nicht erwünschtes Durchhärten der in diesem Bereich, wie oben erwähnt, sehr schmalen Kurbelwange 4 verhindert.
Als für die oben beschriebene Tiefe der Erwärmung der Kurbelwelle besonders gut geeignet hat sich ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 20 - 35 kHz, erwiesen.
Die Schnelligkeit des Abflusses der durch den Induktor 5 in die Kurbelwelle 1 eingebrachten Wärme zum kalten Kern, also der Mitte der Kurbelwelle 1, hängt wesentlich von der Oberflächentemperatur ab, weshalb die Härtetiefe nicht mit der Eindringtiefe des Wechselstroms identisch ist. Außer von den Werkstoffkonstante der nachfolgend noch näher beschriebenen Materialien der Kurbelwelle 1 hängt die Härtetiefe wesentlich von der Heizdäuer und der Oberflächentemperatur ab. Neben der oben beschriebenen Wahl einer geeigneten Frequenz des den Induktor 5 durchfließenden Wechselstroms ist daher auch die Heizdauer, also die Zeit, in der die Spannung in der Kurbelwelle 1 induziert wird, für das Vermeiden der oben beschriebenen nachteiligen Effekte und das Erreichen einer gewünschten, sehr exakten Härtetiefe verantwortlich. Bei dem Verfahren zum induktiven Härten der Kurbelwelle 1 wurde eine Induktionsdauer von 4 - 12 s, insbesondere eine Dauer von 6 - 10 s, als besonders vorteilhaft herausgefunden. Hierzu kann eine geeignete Zeitsteuereinrichtung für den Induktor 5 eingesetzt werden. Die Oberflächentemperatur kann unter anderem durch die Wahl der Leistung des Induktors 5 beeinflusst werden, wobei zur Erzielung eines Wärmestaus an der Oberfläche der Kurbelwelle 1 eine spezifische Leistung von 1 - 2 kW/cm2 als bevorzugt angesehen wird. Im vorliegenden Fall lag die Leistung, bei der der Induktor 5 betrieben wird, in einem Bereich von 50 - 95 kW. Da bei der Kurbelwelle 1 die Pleuellager 3 bezüglich ihrer Geometriedaten kleiner ausgeführt sind als die Hauptlager 2, sind die höheren Leistungen des Induktors 5 im Wesentlichen zur Erwärmung der Hauptlager 2 erforderlich.
Nach der oben beschriebenen Erwärmung der Kurbelwelle 1 wird diese abgekühlt bzw. abgeschreckt, wobei zur Vermeidung einer zu tiefen Einhärtung oder Durchhärtung eine bestimmte Abschreckzeit eingehalten werden sollte. Vorzugsweise wird die Abschreckzeit so gewählt, dass die Martensit-Endtemperatur (MF) des Materials der Kurbelwelle 1 unterschritten wird. Hierzu wurde bei dem vorliegenden Verfahren ein Polymer eingesetzt. Alternativ zu der Verwendung eines Polymers ist prinzipiell auch die Abkühlung an Wasser, mittels einer anderen Flüssigkeit oder an Luft möglich.
Als Material für die Kurbelwelle 1 kommen ein Vergütungsstahl, ein ausscheidungshärtender ferritisch-perlitischer Stahl, ein ausscheidungshärtender bainitischer Stahl, Gusseisen mit Kugelgraphit oder bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit in Frage.
Als Vergütungsstähle im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung werden sämtliche Stähle angesehen, die mittels des Verfahrens des Vergütens behandelt werden können. Unter "Vergüten" im Sinne der vorliegenden Patentanmeldung wird Härten und Anlassen bei höherer Temperatur, um die gewünschte Kombination der mechanischen Eigenschaften, insbesondere hohe Zähigkeit und Duktilität, zu erreichen, angesehen. Wenn es sich um einen Vergütungsstahl handelt, haben sich die Stähle mit den folgenden Werkstoffnummern als gut geeignet erwiesen: Werkstoffnummer 1.1191 (frühere Bezeichnung: Ck45) , 1.7225 (42CrMo4), 1.7227 (42CrMoS4), 1.7228 (50CrMo4), 1.6582 (34CrNiMo6) oder 1.8519 (31CrMoV9) . Durch den Werkstoff 42CrMo4 wurden besonders gute Ergebnisse, insbesondere hinsichtlich eines sehr geringen Härteverzugs, erzielt, da dieser Werkstoff die verfahrensbedingt geforderte sehr kurze Austenitisierungsdauer sehr gut einhalten kann. Die Austenitisierung läuft umso schneller ab, je gleichmäßiger bzw. feinkörniger die Gefügeanteilver- teilung vor dem Induktionshärten vorliegt.
Bei Vergütungsstählen kann es sich um unlegierte Vergütungsstähle sowie unlegierte Stähle zum Flamm- und Induktionshärten als auch um legierte Vergütungsstähle sowie legierte Stähle zum Flamm- und Induktionshärten handeln. Die oben genannten Stähle sind mit Ausnahme des Stahls mit der Werkstoffnummer 1.1191, bei dem es sich um einen unlegierten Stahl handelt, allesamt legierte Vergütungsstähle. Bei dem Stahl mit der Werkstoffnummer 1.8519 (31CrMoV9) handelt es sich um einen Stahl, der zwar in der Norm für Nitrierstähle enthalten ist, allerdings kann dieser Stahl mittels des oben beschriebenen Verfahrens des Vergütens vergütet werden, weshalb er abweichend von der Norm in dieser Patentanmeldung als Vergütungsstahl bezeichnet wird. Prinzipiell können also Stähle, die vergütet werden können, auch für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, auch wenn dieselben in einer einschlägigen Norm nicht explizit als Vergütungsstähle bezeichnet werden.
Wenn als das Material für die Kurbelwelle 1 ein ausscheidungs- härtender ferritisch-perlitischer Stahl verwendet wird, haben sich die Stähle mit den folgenden Werkstoffnummern als besonders gut geeignet erwiesen: 1.1303 (38MnVS6) , 1.302 (30MnVSβ) oder 1.1304 (46MnVS6) . Derartige, von der Warmformgebungstemperatur, im konkreten Fall der Kurbelwelle 1 also beispielsweise von der Schmiedetemperatur, ausscheidungshärtende ferrtisch-perlitische Stähle werden auch als AFP-Stähle bezeichnet.
Wenn als das Material für die Kurbelwelle 1 ein ausscheidungs- härtender bainitischer Stahl verwendet wird, so ist der Stahl 25MnCrSiVB 6 besonders gut geeignet. Auch dieser Stahl wird von der Warmformgebungstemperatur ausscheidungsgehärtet.
Das Abkühlen des ausscheidungshärtenden ferrtisch-perlitischen oder bainitischen Stahls erfolgt vorzugsweise gesteuert.
Allgemein gilt bei der Verwendung eines Stahls für das Material der Kurbelwelle 1, dass dieser besonders gut geeignet ist, wenn er vor der induktiven Härtung bei einer Prüfung nach EN-ISO 643 eine Austenitkorngröße von 5 oder feiner aufweist und somit zum Härten besonders gut geeignet ist. Des weiteren sollten innerhalb des Materials der Kurbelwelle 1 die härtbarkeitsbeeinflus- senden Legierungselemente, insbesondere Kohlenstoff, möglichst gleichmäßig verteilt sein.
Ein Stahl bietet darüber hinaus gute Voraussetzungen für eine Härtbarkeit desselben, wenn durch den Austenitisierungsprozess der Perlit und Ferrit aufgelöst und umgewandelt, die Legierungskarbide weitgehend aufgelöst und alle Konzentrationsunterschiede, insbesondere Kohlenstoff und Legierungselemente, ausgeglichen sind.
Alternativ kann für das Material der Kurbelwelle 1 auch ein Gusseisen mit Kugelgraphit oder ein bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit, ein sogenannter ADI-Guss, eingesetzt werden. Bei der Verwendung von Gusseisen mit Kugelgraphit sind Gusseisen mit den folgenden Werkstoffnummern besonders gut geeignet: EN-JS 1060 (Werkstoffbezeichnung EN-GJS-600-3) , EN-JS 1070 (EN-GJS- 700-2), EN-JS 1080 (EN-GJS-800-2) oder EN-JS 1090 (EN-GJS-900- 2) . Als bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit hat sich Gusseisen mit der Werkstoffnummer EN-JS 1100 (Werkstoffbezeichnung EN- GJS-800-8) oder EN-JS 1110 (Werkstoffbezeichnung EN-GJS-1000-5) als gut geeignet erwiesen.
Neben den oben mittels genormter Werkstoffnummern beispielhaft angegebenen Werkstoffen sind prinzipiell von ihren Werkstoffeigenschaften auch ähnliche Werkstoffe geeignet, insbesondere wenn es sich um zu den angegebenen Werkstoffen sehr ähnliche Werkstoffe handelt, die beispielsweise in anderen Ländern andere Normbezeichnungen besitzen. So wird beispielsweise ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.7225 in Japan unter der Bezeichnung SCM 440H geführt. Dieser Stahl kann problemlos für dieses Verfahren eingesetzt werden.
In Fig. 2 ist der Induktor 5 perspektivisch dargestellt. Dieser weist an seiner Unterseite einen Flansch 6 zum Anbringen desselben an einer nicht dargestellten Halteeinrichtung einer in ihrer Gesamtheit ebenfalls nicht dargestellten, jedoch allgemein bekannten Vorrichtung zum Härten der Kurbelwelle 1 auf. Auf der dem Flansch 6 gegenüberliegenden Seite weist der Induktor 5 einen Induktorabschnitt 7 auf, der eine an die Geometrie der Kurbelwelle 1 angepasste Form aufweist. Der Induktorabschnitt 7 ist mit dem Flansch 6 über eine Rohranordnung 8 verbunden, die von bekannter Bauart sein kann und auf die daher nicht näher eingegangen wird. Die Position der Kurbelwelle 1 gegenüber dem Induktor 5 ist in Fig. 2 sehr schematisch mittels einer gestrichelten Linie angedeutet. Fig. 3 zeigt einen Schnitt durch den Induktor 5 bzw. den Induktorabschnitt 7 desselben in seiner Position, in der er eine Spannung in die Kurbelwelle 1 induziert. Von der Kurbelwelle 1 ist hierzu eines der Hauptlager 2 dargestellt. Der schraffierte Bereich deutet den mittels des hierin beschriebenen Härteverfahrens gehärteten Bereich der Kurbelwelle 1 an. In Fig. 2 ist erkennbar, dass der Induktorabschnitt 7 in Form eines Rohrs 9 ausgebildet ist, welches an seiner der Kurbelwelle 1 zugewandten Seite eine abgerundete Spitze 10 aufweist. Der Radius 10a der abgerundeten Spitze 10 kann beispielsweise in einem Bereich von 1 - 1,6 mm liegen. Dies gilt allerdings nur für die konkrete Ausführungsform der Kurbelwelle 1, bei der ein die Kurbelwange 4 mit dem Hauptlager 2 verbindender Radius 11 ca. 1,4 - 1,8 mm beträgt. Allgemein hat sich ein Verhältnis von 0,6 - 1, insbesondere 0,9 - 1, zwischen dem Radius 11 der Kurbelwelle 1 und dem Radius 10a der Spitze 10 als im Hinblick auf eine besonders gleichmäßige Einhärtetiefe im Bereich des von der Lauffläche des Hauptlagers 2 bzw. des Pleuellagers 3 in den Anlaufbund der Kurbelwange 4 übergehenden Radius 11 erwiesen. Dies bedeutet, dass im Falle eines größeren oder kleineren Radius 11 der Kurbelwelle 1 auch der Radius 10a der Spitze 10 größer oder kleiner gewählt wird.
Von der Spitze 10 des Induktors 5 gehen zwei Abschnitte 12 und 13 des Rohrs 9 aus, die miteinander einen Winkel α von 30 - 60°, besonders bevorzugt einen Winkel von 40 - 50°, bilden, um es zu ermöglichen, dass der Induktor 5 besonders nah an die Kontur der Kurbelwelle 1 gebracht werden kann. Des weiteren ermöglicht diese Ausführung des Induktors 5, dass außerhalb des Rohrs 9 eine ausreichend große Beblechung 14 angebracht sein kann, die in der Lage ist, durch eine Konzentration der magnetischen Flussdichte die Erwärmungszeiten zu reduzieren. Durch die Beblechung 14 wird außerdem die Entstehung von Streufeldern verhindert und die Leistung des Induktors 5 erheblich erhöht, so dass eine sehr exakte Härtezone erzeugt werden kann.
Im vorliegenden Fall besteht die Beblechung 14 aus einem magne- to-dielektrischen Material, welches als Grundmaterial einen thermoplastischen Kunststoff aufweist, in dem Weicheisenpartikel eingebunden sind. Neben der dargestellten Querschnittsform des Rohrs 9 kommt auch eine ovale, rechteckige oder eine andere geeignete Querschnittsform in Frage.
Der oben beschriebene Induktor 5 ist ein wichtiger Bestandteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Härten der Kurbelwelle 1, da er zusätzlich zu der oben erläuterten geeigneten Auswahl der Frequenz und des Materials der Kurbelwelle 1 dazu beiträgt, eine Kurbelwelle 1 mit schmalen Kurbelwangen 4 mit einer ausreichenden Dauerfestigkeit und geringen Prozesskosten herzustellen.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Verfahren zum Härten von Kurbelwellen, insbesondere von Kurbelwellen mit schmalen Kurbelwangen, wobei mittels eines von einem Wechselstrom durchflossenen Induktors eine Spannung in der Kurbelwelle induziert wird, wodurch die Kurbelwelle bis zu einer gewissen Tiefe erwärmt wird, und wobei die Kurbelwelle nach der Erwärmung abgekühlt wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Induktor (5) von einem Wechselstrom, der eine Frequenz von 11 - 49 kHz aufweist, durchflössen wird, und dass als Material für die Kurbelwelle (1) ein Vergütungsstahl, ein ausscheidungshärtender ferritisch-perlitischer Stahl, ein ausscheidungshärtender bainitischer Stahl, Gusseisen mit Kugelgraphit oder bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit verwendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Wechselstrom mit einer Frequenz von 20 - 35 kHz verwendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die Spannung für eine Dauer von 4 - 12 s in der Kurbelwelle (1) induziert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Vergütungsstahl ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.1191, 1.7225, 1.7227, 1.7228, 1.6582 oder 1.8519 verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als ausscheidungshärtender ferritisch-perlitischer Stahl ein Stahl mit der Werkstoffnummer 1.1303, 1.1302 oder 1.1304 verwendet wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als ausscheidungshärtender bainitischer Stahl 25MnCrSiVB6 verwendet wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als Gusseisen mit Kugelgraphit Gusseisen mit der Werkstoffnummer EN-JS 1060, EN-JS 1070, EN-JS 1080 oder EN-JS 1090 verwendet wird.
8. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass als bainitisches Gusseisen mit Kugelgraphit Gusseisen mit der Werkstoffnummer EN-JS 1100 oder EN-JS 1100 verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Stahl verwendet wird, welcher vor der induktiven Härtung bei Prüfung nach EN-ISO 643 eine Austenitkorngröße von 5 o- der feiner aufweist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Induktor (5) bei einer Leistung von 50 - 95 kW betrieben wird.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein an seiner der Kurbelwelle (1) zugewandten Seite eine abgerundete Spitze (10) aufweisender Induktor (5) verwendet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verhältnis zwischen einem Radius (11) der Kurbelwelle (1) und dem Radius (10a) der Spitze (10) des Induktors (5) 0,6 - 1 beträgt.
13. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die von der abgerundeten Spitze (10) ausgehenden Abschnitte (12,13) des Induktors (5) einen Winkel von 30 - 60° miteinander bilden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass ein Induktor (5) mit einer Beblechung (14) aus einem magne- to-dielektrischen Material verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das magneto-dielektrische Material der Beblechung (14) als Grundmaterial einen thermoplastischen Kunststoff aufweist, in dem Weicheisenpartikel eingebunden sind.
16. Vorrichtung zum Härten von Kurbelwellen, insbesondere von Kurbelwellen mit schmalen Kurbelwangen, mit einem von einem Wechselstrom durchflossenen Induktor zum Induzieren einer Spannung in die Kurbelwelle und mit einer Abkühleinrichtung zum Abkühlen der Kurbelwelle, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der von einem eine Frequenz von 11 - 49 kHz aufweisenden Wechselstrom durchflossene Induktor (5) an seiner der Kurbelwelle (1) zugewandten Seite eine an die Geometrie der Kurbelwelle (1) angepasste Form aufweist.
17. Vorrichtung nach Anspruch 16, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Induktor (5) an seiner der Kurbelwelle (1) zugewandten Seite eine abgerundete Spitze (10) aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das Verhältnis zwischen einem Radius (11) der Kurbelwelle (1) und dem Radius (10a) der Spitze (10) des Induktors (5) 0,6 - 1 beträgt.
19. Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass die von der abgerundeten Spitze (10) ausgehenden Abschnitte (12,13) des Induktors (5) einen Winkel von 30 - 60° miteinander bilden.
20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass der Induktor (5) eine Beblechung (14) aus einem magnetodielektrischen Material aufweist.
21. Vorrichtung nach Anspruch 20, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , dass das magneto-dielektrische Material der Beblechung (14) als Grundmaterial einen thermoplastischen Kunststoff aufweist, in dem Weicheisenpartikel eingebunden sind.
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